可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品上的應(yīng)用研究

沈爐明

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510660）

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)在高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品上的應(yīng)用研究

沈爐明

（廣州海格通信集團(tuán)股份有限公司，廣州 510660）

簡(jiǎn)要介紹了高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的特點(diǎn)、失效機(jī)理和退化失效模式，闡述可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)工作思路和試驗(yàn)剖面選擇的注意事項(xiàng)。通過試驗(yàn)證明，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)可以在短期內(nèi)激發(fā)高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的潛在缺陷，還可以大幅縮短產(chǎn)品可靠性增長(zhǎng)所需時(shí)間、節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)用。

高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品；失效機(jī)理；退化失效；可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)

引言

軍用武器裝備、航空航天領(lǐng)域和復(fù)雜工業(yè)系統(tǒng)的產(chǎn)品，集成度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多、性能指標(biāo)高、內(nèi)部環(huán)境嚴(yán)酷，再加上全天候、多地域化工作的因素，對(duì)大多數(shù)整機(jī)裝備系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性和壽命提出很高的要求。高可靠性長(zhǎng)壽命產(chǎn)品[1]性能指標(biāo)多、精度高、可靠性指標(biāo)要求高、長(zhǎng)時(shí)間使用壽命，恰好符合了這些領(lǐng)域的應(yīng)用特點(diǎn)。但是高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品研制期間實(shí)現(xiàn)可靠性增長(zhǎng)困難、研制費(fèi)用昂貴，對(duì)傳統(tǒng)的可靠性增長(zhǎng)技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的可靠性研制試驗(yàn)方法對(duì)真實(shí)環(huán)境模擬不足、暴露問題不充分、需要花費(fèi)大量的時(shí)間和費(fèi)用，試驗(yàn)后殘留潛在缺陷多、外場(chǎng)返修頻繁、維修保障費(fèi)用高等問題，極大地制約了各種裝備效能的發(fā)揮。因此，如何高效評(píng)估產(chǎn)品可靠性和達(dá)到可靠性增長(zhǎng)目的是可靠性工程領(lǐng)域亟待解決的重要問題。

1 高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的失效機(jī)理和模式探討

本文從高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品失效機(jī)理和失效模型研究出發(fā)，探討可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用。過應(yīng)力機(jī)理和損傷累積機(jī)理是高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品最常見的兩種失效機(jī)理。失效應(yīng)力指的是當(dāng)且僅當(dāng)應(yīng)力達(dá)到產(chǎn)品規(guī)定的強(qiáng)度時(shí)，產(chǎn)品失效。過應(yīng)力失效指的是使用超過產(chǎn)品的規(guī)定的強(qiáng)度而導(dǎo)致產(chǎn)品失效，低于此強(qiáng)度則正常工作。損傷累積失效指的是，應(yīng)力造成的損傷雖不直接導(dǎo)致產(chǎn)品失效，但是通常不可恢復(fù)且會(huì)不斷累積，產(chǎn)品內(nèi)部某種抗應(yīng)力強(qiáng)度逐漸降低，當(dāng)損傷超過一定的韌性時(shí)，性能或強(qiáng)度退化到某種程度時(shí)產(chǎn)品失效。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和研究數(shù)據(jù)表明，大多數(shù)高可靠長(zhǎng)壽產(chǎn)品的失效機(jī)理多為累積失效機(jī)理，在這種機(jī)理作用下，主要表現(xiàn)為兩種失效模式：突發(fā)性失效和退化型失效。突發(fā)性失效也叫找災(zāi)難性故障、硬故障，如介質(zhì)擊穿、電路短路、材料斷裂等。退化型失效也稱為軟故障，如磨損、老化、蠕變、開裂、腐蝕、氧化等。退化失效是高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品失效的主要原因[2]。

具有退化型失效模式的高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品，它的退化數(shù)據(jù)包含很多可靠性信息。假如某個(gè)性能指標(biāo)會(huì)隨著貯存或工作時(shí)間的延長(zhǎng)而緩慢地發(fā)生變化，我們常用這個(gè)指標(biāo)大小來表征產(chǎn)品功能的優(yōu)劣，稱這個(gè)最終反映產(chǎn)品功能下降的性能指標(biāo)為退化量。如果在壽命試驗(yàn)中只能得到極少的失效數(shù)據(jù)，甚至沒有失效，那么連續(xù)測(cè)量這些表征產(chǎn)品功能的退化量，獲得的退化數(shù)據(jù)是可靠性建模分析和評(píng)估重要參考依據(jù)。

2 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)工作思路

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)是一種采用加速應(yīng)力的可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，目的是使產(chǎn)品更加“健壯”[3]。 以激發(fā)缺陷效率為目標(biāo)，以故障和失效為主要研究對(duì)象，通過暴露、診斷和根除故障、改進(jìn)驗(yàn)證來達(dá)到可靠性增長(zhǎng)的目的。相對(duì)傳統(tǒng)的可靠性模擬實(shí)驗(yàn)，可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)時(shí)間短、效率高、試驗(yàn)費(fèi)用較低，可以有效解決傳統(tǒng)方法存在的問題?？煽啃詮?qiáng)化試驗(yàn)在國(guó)外已得到廣泛應(yīng)用[4]，在美國(guó)，他們稱設(shè)計(jì)階段的這種試驗(yàn)為高加速壽命試驗(yàn)（Highly Accelerated Life Testing, HALT），生產(chǎn)過程的稱為高加速應(yīng)力篩選（Highly Accelerated Stress Screening, HASS）。在從20世紀(jì)90年代中期，我國(guó)軍工領(lǐng)域以較為復(fù)雜、重要度高、無繼承性的新研發(fā)或改型電子產(chǎn)品為主要對(duì)象，開始逐步應(yīng)用研制階段的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，也就是HALT技術(shù)，并取得預(yù)期的效果。

可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)按照階梯應(yīng)力程序，將強(qiáng)化環(huán)境引入試驗(yàn)中，施加諸如低溫、高溫、隨機(jī)振動(dòng)及溫度循環(huán)等環(huán)境步進(jìn)應(yīng)力，有時(shí)輔以工作電應(yīng)力，從而獲得產(chǎn)品的破壞界限和設(shè)計(jì)裕度。通過激發(fā)故障和暴露設(shè)計(jì)中的薄弱環(huán)節(jié)，然后進(jìn)行失效定位分析，進(jìn)而改進(jìn)和驗(yàn)證，最終使產(chǎn)品可靠性、耐環(huán)境能力得到不斷提高。圖1展示的是可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)工作思路。

圖1中，故障模式及影響分析（Failure modes and effectanalysis, FMEA）[5]是可靠性專業(yè)領(lǐng)域的術(shù)語(yǔ)，根據(jù)高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的具體結(jié)構(gòu)、功能對(duì)其進(jìn)行FMEA，可以確定可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的最佳激勵(lì)應(yīng)力。環(huán)境敏感應(yīng)力分析要求設(shè)計(jì)人員和可靠性工程試驗(yàn)人員將產(chǎn)品生命周期內(nèi)可能經(jīng)歷的氣候、化學(xué)、生化和物理的環(huán)境條件進(jìn)行分析，抓取對(duì)產(chǎn)品可靠性影響最大的幾個(gè)環(huán)境敏感應(yīng)力。然后利用FMEA信息，以少而精、容易監(jiān)測(cè)為宜，選擇表征產(chǎn)品現(xiàn)場(chǎng)使用是否順利完成規(guī)定功能和性能參數(shù)，關(guān)注常見故障，如功能失效、參數(shù)漂移等。試驗(yàn)順序一般遵循這個(gè)原則：先施加破壞性弱的應(yīng)力再施加破壞性較強(qiáng)的應(yīng)力；先低溫、后高溫；先溫度、后振動(dòng)；先單應(yīng)力后綜合應(yīng)力。

圖1 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)流程

在進(jìn)行可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)剖面設(shè)計(jì)時(shí)，為了選好試驗(yàn)條件量級(jí)，應(yīng)當(dāng)注意這幾個(gè)問題：故障機(jī)理與應(yīng)力之間的關(guān)系、產(chǎn)品實(shí)際情況、不同類型應(yīng)力的激發(fā)效率、試驗(yàn)的實(shí)際條件、費(fèi)效比。常用的強(qiáng)化試驗(yàn)剖面有：高溫或低溫溫度步進(jìn)試驗(yàn)剖面、溫度循環(huán)試驗(yàn)剖面、全軸隨機(jī)振動(dòng)應(yīng)力剖面、溫度振動(dòng)綜合應(yīng)力剖面等。根據(jù)某公司統(tǒng)計(jì)[6]，低溫、高溫和振動(dòng)等前三個(gè)階段的可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，將會(huì)暴露80 %的失效模式，綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)暴露其余的20 %失效模式。溫度與振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)用于確定產(chǎn)品工作極限和破壞極限，激發(fā)產(chǎn)品潛在缺陷，為溫度循環(huán)試驗(yàn)剖面與綜合環(huán)境應(yīng)力試驗(yàn)剖面的制定提供依據(jù)。

3 某型光源系統(tǒng)可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用

3.1 試驗(yàn)設(shè)備與試驗(yàn)過程

某型分析儀光源已完成加工并通過外觀驗(yàn)收及功能性能檢測(cè)合格，技術(shù)狀態(tài)已固化，功能框圖如圖2所示，我們以此為例展示可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)應(yīng)用的成功經(jīng)驗(yàn)。采用綜合應(yīng)力環(huán)境強(qiáng)化試驗(yàn)設(shè)備，有效容積1 200 L，頻率范圍：5~10 000 Hz，最大加速度60 g，溫度范圍：-100~+200 ℃，最大溫變率±60 ℃/min(液氮制冷)；濕度范圍為20 %~90 %RH。

首先編制試驗(yàn)大綱，成立試驗(yàn)工作組，明確職責(zé)，制定有關(guān)制度要求，落實(shí)試驗(yàn)實(shí)施、功能性能測(cè)試、故障處理和修復(fù)故障、制定糾正措施的責(zé)任人。然后在試驗(yàn)前對(duì)各功能模塊進(jìn)行預(yù)測(cè)試，確保試驗(yàn)使用的模塊均正常。試驗(yàn)過程中嚴(yán)格制表區(qū)分所有受試單元，做好記錄結(jié)果和故障定位。整個(gè)試驗(yàn)過程中，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全過程監(jiān)測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)故障，進(jìn)行故障定位和定性（如區(qū)分好關(guān)聯(lián)故障與非關(guān)聯(lián)故障、責(zé)任故障與非責(zé)任故障），采取有效處理措施，保證試驗(yàn)順利進(jìn)行。本次可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)過程按照?qǐng)D3所示，進(jìn)行5個(gè)項(xiàng)目的步進(jìn)試驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)應(yīng)力剖面

低溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，共進(jìn)行了0 ℃、-10 ℃、-20 ℃、-25 ℃、-30 ℃、-35 ℃、-40 ℃、-45 ℃、-50 ℃、-55 ℃、-60 ℃溫度段試驗(yàn)，平均每個(gè)溫度段保持時(shí)間約35 min，通過試驗(yàn)確定了以-60 ℃作為受試產(chǎn)品的低溫工作極限。

高溫步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，共進(jìn)行了30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃、65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃、85 ℃、90 ℃、95 ℃、100 ℃溫度段試驗(yàn)，平均每個(gè)溫度段保持時(shí)間約35 min，通過試驗(yàn)確定了以100 ℃作為受試產(chǎn)品的高溫工作極限。

圖2 某型光源系統(tǒng)產(chǎn)品功能框圖

圖3 某型光源系統(tǒng)產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)過程

根據(jù)前面兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)為了激發(fā)受試產(chǎn)品暴露更多的故障，快速溫度循環(huán)試驗(yàn)的溫度范圍為-55～+95 ℃，溫變率為40 ℃/min。

振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)，共進(jìn)行了5 g、10 g、15 g、20 g、25 g、30 g、35 g、40 g、45 g、50 g、55 g、60 g的振動(dòng)試驗(yàn)，每個(gè)振動(dòng)量級(jí)的試驗(yàn)時(shí)間為10 min。通過試驗(yàn)確定了以60 g作為受試產(chǎn)品的振動(dòng)工作極限。

根據(jù)前期的試驗(yàn)結(jié)果將綜合試驗(yàn)應(yīng)力定為高溫95 ℃、低溫-55 ℃，溫變率為40 ℃/min，振動(dòng)量值各為12 g、24 g、36 g、48g和50 g，共5個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)中低溫階段的停留時(shí)間約為45 min，高溫階段的停留時(shí)間約為45 min。

典型的強(qiáng)化試驗(yàn)剖面如圖4、圖5所示。

圖4 快速溫度循環(huán)試驗(yàn)剖面

圖5 綜合環(huán)境試驗(yàn)剖面

表1 某型高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)部分結(jié)果

3.3 試驗(yàn)暴露的故障定位和分析

表1給出了部分試驗(yàn)結(jié)果。

通過強(qiáng)化試驗(yàn)獲得了以下成果，驗(yàn)證了強(qiáng)化試驗(yàn)的有效性。

1）產(chǎn)品的工作極限：低溫優(yōu)于-60 ℃、高溫優(yōu)于100 ℃、振動(dòng)優(yōu)于60 g（三軸六向自由度氣錘式隨機(jī)振動(dòng)）；

2）發(fā)現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在的缺陷：某些器件選型不當(dāng)導(dǎo)致故障、電路熱設(shè)計(jì)余量不足導(dǎo)致高溫工作失效、焊接工藝問題導(dǎo)致焊點(diǎn)脫落和管腳斷裂。

該型產(chǎn)品選用的5種強(qiáng)化應(yīng)力，使用振動(dòng)步進(jìn)應(yīng)力試驗(yàn)激發(fā)的潛在缺陷效率最高，其次是快速溫度循環(huán)試驗(yàn)，最后是高溫應(yīng)力步進(jìn)試驗(yàn)。表明焊接工藝質(zhì)量水平相對(duì)較差最容易導(dǎo)致該型產(chǎn)品故障，元器件選型不當(dāng)和電路設(shè)計(jì)不足也會(huì)是該款產(chǎn)品很嚴(yán)重的薄弱環(huán)節(jié)。此外，試驗(yàn)結(jié)果表明產(chǎn)品符合退化型失效的特點(diǎn)，各種應(yīng)力損傷累積效果明顯，因此研究不同的強(qiáng)化應(yīng)力的施加程序，以及如何確定應(yīng)力量級(jí)是可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)的關(guān)鍵問題之一。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著用戶對(duì)高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的質(zhì)量要求不斷提高，技術(shù)手段不斷進(jìn)步，如何使用效率高、成本低的可靠性技術(shù)評(píng)價(jià)其壽命越來越受到人們的重視。本文從高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的特點(diǎn)、失效機(jī)理和退化失效模式出發(fā)，闡述了可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)方法的工作思路和實(shí)踐應(yīng)用。理論研究和實(shí)踐證明，探討可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)技術(shù)，為解決高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品的可靠性問題提供了一種切實(shí)可行而且具有工程化應(yīng)用前景的方法。

[1]何國(guó)偉, 朱煒, 角淑媛,等. 新的高可靠長(zhǎng)壽命產(chǎn)品對(duì)可靠性標(biāo)準(zhǔn)的要求[J]. 質(zhì)量與可靠性, 2008(1):44-46.

[2]潘東輝，基于退化數(shù)據(jù)的產(chǎn)品可靠性建模與剩余壽命預(yù)測(cè)方法研究[D] .武漢:華中科技大學(xué), 2014.

[3]胡湘洪,高軍, 等 主編.可靠性工程.北京:電子工業(yè)出版社, 2015.

[4]李良巧 主編.可靠性工程師手冊(cè). 北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社, 2012.

[5]陶俊勇, 陳循, 任志乾. 可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)及其在某通信產(chǎn)品中的應(yīng)用研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2003, 25(4):509-512.

[6] Silverman M. Summary of HALT and HASS Results at an Accelerated Reliability Test Center[C].1998 Proceeding Annual Relability and Maintainability Symposium,1998:30-36.

Applied Research on Reliability Enhancement Testing in High-reliability and Long-life Products

SHEN Lu-ming
(Guangzhou Haige Communication Group Incorporation Company, Guangzhou 510660)

This paper mainly studies the characteristics, failure mechanism and failure mode of highreliability and long-life products, and introduces the working thinking and profile design of the reliability enhancement testing (RET). Through the test, it is proved that the RET can stimulate the potential defects in the high-reliability and long-life products, shorten the time needed to increase the reliability of the products, and save the test cost.

high-reliability and long-life products; failure mechanism; degradation failure; reliability enhancement test

TB114.3

A

1004-7204（2017）03-0038-05

沈爐明（1975- ），男， 合肥工業(yè)大學(xué)，主要從事環(huán)境試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)研究以及北斗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、北斗測(cè)試平臺(tái)研究。